[发明专利]用于磁悬浮中负阻尼补偿的控制系统和方法

说明书

本公开内容涉及磁悬浮，更具体地，涉及用于补偿负阻尼的控制系统 和方法。

磁悬浮(Maglev)是指利用磁场来推斥物体以抵抗其它力-诸如举例而 言重力-的系统或装置。磁悬浮可在运输系统中被采用，其中车辆被悬浮 并沿轨道推进。其它应用可包括半导体加工工艺(例如，悬浮一个晶片支撑 台板)、非接触轴承(例如，磁悬浮轴)、或医疗设备(例如，CT扫描仪)。

刚度(stiffness)是材料在被按压时回推的能力，例如，弹簧对抗压缩。 这种性状确定了材料的强度和阻尼振动的能力。这是正刚度。某些材料或 系统具有“负刚度”：它们的结构已经被以这样的方式弯曲(buckle)或扭 曲(contort)，即：如果施加压力，则其存储的能量仅导致在相同方向上 的更大压缩，例如弹簧，当你开始压它时，它自己就折叠(collapse)了。

在磁悬浮中，磁芯与被悬浮物体之间的间隙被说成是固有地具有负刚 度。在磁悬浮系统中，负刚度可以通过能够抵消负刚度效应的校准公式而 被补偿。然而，在间隙被测量的时间与间隙被补偿的时间之间引入的延时 常常导致负阻尼。负阻尼不能以与负刚度相同的方式来解释。因此，在磁 悬浮系统中存在补偿负阻尼的需求。

按照本实施例，磁悬浮控制系统包括：传感器，被配置用于测量电磁 铁与平台(stage)之间的间隙，并生成间隙测量信号。间隙滤波器被配置 用于接收所述间隙测量信号，并提供相位超前信号(phase lead signal)， 该相位超前信号估计并计及(account for)所述间隙测量信号与补偿动作 之间的延时。估计块被配置用于接收所述相位超前信号，并按照所述相位 超前信号提供补偿动作，以使得负刚度和负阻尼效应在所述控制系统中都 得到补偿。

一种用于控制磁悬浮系统中的间隙的方法包括：生成磁场以便按照实 现的电流(realized current)来悬浮平台并保持所述平台与电磁铁芯之间的 间隙；测量所述间隙以便输出间隙测量信号；滤波所述间隙测量信号，以 便按照过去的测量结果提供相位超前信号，以计及间隙测量信号与补偿动 作之间的延时；以及按照所述相位超前信号生成所述实现的电流以便在调 节间隙时补偿负刚度和负阻尼。

在替换实施例中，间隙测量可被重建，以便允许估计所述间隙测量而 不需要并置的(collocated)传感器。所述实现的电流优选地按照所述相位 超前信号生成，并且从估计块输出的计算的电流被放大，这里所述计算的 电流是基于所述相位超前信号。所述方法可包括减小由于滤波步骤而引入 的噪声。所述方法还可包括从以前的间隙测量结果外推延时，以使得所述 相位超前信号是基于所述外推的延时。

本公开内容的这些和其它目的、特征及优点将从其说明性实施例的以 下的详细描述变得明白，所述说明性实施例要结合附图阅读。

本公开内容将参照以下的附图详细给出优选实施例的如下说明，其 中：

图1是显示按照一个实施例的磁悬浮系统的方框图/流程图；

图2是显示按照更详细的实施例的磁悬浮系统的方框图/流程图；

图3是幅度(dB)或相位角(度)与频率的关系曲线的图，其显示了对于 按照图2中的间隙滤波器的不同配置的参考信号及响应；以及

图4是显示用于控制磁悬浮系统中的间隙的一个示例方法的流程图。

本公开内容描述适于在磁悬浮系统中使用的控制系统，其中负阻尼通 过如下方式补偿：预先考虑在测量和补偿被悬浮部件或装置(此后称为机械 设施(plant))与磁芯(此后称为设施芯(plant core))间的间隙波动之间的 延时。在一个特别有用的实施例中，由间隙滤波器预先考虑延时，所述间 隙滤波器提供相位超前以便抵消在系统中经受的负阻尼。代替或附加于所 述间隙滤波器，过去的测量结果或间隙预测准则可被采用来更精确地预测 实际的间隙，以便帮助消除所述负阻尼。应当理解，本发明将就特定的磁 悬浮系统来描述；然而，本发明的教导要广泛得多，且可应用于任何可能 因在反馈环中引入延时而具有负阻尼的磁悬浮系统。还应当理解，说明性 的示例电路可以被修改以包括附加部件或所述部件可被集成在一个或多 个集成电路芯片上。另外，所描绘的部件可以以软件或是在独立的装置或 电路上实现。在特别有用的实施例中，附图中描绘的单元可以以硬件和软 件的各种组合来实现，并提供可以被组合到单个单元或多个单元中的功 能。